基于格子Boltzmann方法和大涡模拟的各向同性湍流噪声研究

飞机和高速列车行进时引起的湍流会产生巨大的噪声，人们一直在寻求降噪减噪的各种途径。作为前提，理解和预测流动诱发"声"的能力具有非常重要的现实意义。湍流运动固有的多尺度性、随机性和高度非线性，以及其中噪声场在时间和空间的宽频低幅和小量级特征造成了研究其声源产生机制和声场辐射规律的主要困难。本项目旨在将格子Boltzmann方法和大涡模拟相结合，对各向同性湍流声学特性开展。发展适应于该方法的亚格子模型，考察不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力，并运用直接数值模拟对其进行验证。采用大涡模拟计算湍流场的Lighthill应力张量，并根据Lighthill声比拟理论预测湍流诱发的噪声场，进一步探讨湍流对声场发生和辐射的作用机理，揭示湍流噪声的发生机制和声幅射规律。从而为解决工业和国防建设中广泛存在的湍流噪声问题提供理论依据，并为复杂的湍流运动模拟提供更有效的数值模型。

流动噪声问题的研究涉及国民经济、国防建设和环境保护。目前，人们对湍流噪声的产生机理和辐射规律缺乏足够的认识，研究手段和成果正在发展和积累中，降噪减噪的手段有限，因此，理解、预测流动诱发“声”的能力具有非常重要的意义。湍流噪声是具有四极子源特性的复杂噪声源，其研究属于湍流和声学理论基础上的一个前沿领域。为了研究湍流结构与诱导声场的一般关系，本项目基于LBM并结合Lighthill声比拟理论，采用直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)研究均匀各向同性湍流的诱导噪声问题，主要研究工作如下：.基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性开展研究。提出适应于LBM的一种亚格子尺度模型,根据湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶量的统计,该模型比传统涡黏模型有明显改进.进而考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力；.开展高精度格式耗散性、色散性和稳定性的研究。采用LBM方法分别模拟了声波的辐射、衍射和干涉、以及多普勒效应等几个声学基础问题。模拟得到的结果与理论解吻合，说明了该方法能正确反映声波的传播过程和波动特性，并能较好的预测流动与声波间的相互作用；.采用LBM-DNS/Lighthill声比拟混合方法，得到典型的衰减湍流统计量，进而对去衰减化后的流动诱导噪声信号进行频谱分析，表明声能在一定的衰减时间内符合马赫数五次方律的理论预测；.为了研究均匀各向同性强迫湍流诱导噪声的频率特点，建立了随机和确定性两种作用力模型以保持湍流脉动场的统计稳态。在两种作用力驱动下的强迫湍流所对应的声音信号频谱在一定频率范围内保持一致性。研究了声源区不同位置声音传播的延迟效应，以考察实施LBM-LES/Lighthill声比拟混合方法时紧致声源假设的适用性。.研究了作为声源项的Lighthill应力张量各部分（高频部分、可解尺度应力张量和亚格子应力张量）在湍流诱导噪声中的相对影响和作用。研究表明，高频部分影响很小可忽略，而不考虑亚格子应力张量的作用将使声场预测出现较明显的偏差，应建立合适的模型来反映亚格子Lighthill应力张量对声场的贡献。